Tải trọng 0,6 gVSS/gVSI

5. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

3.2 Kết quả nghiên cứu Tải trọng và tỷ lệ phối trộn tối ưu

3.2.4 Tải trọng 0,6 gVSS/gVSI

3.2.4.1 Kết quả lượng khí CH4 sinh ra ở các tỷ lệ phối trộn

Ở tải trọng 0,6 gVSS/gVSI, hiệu quả sinh khí trên 1 đơn vị VS cơ chất ở hầu hết các tỷ lệ phối trộn tiếp tục giảm nhưng không nhiều so với tải trọng 0,5 gVSS/gVSI; riêng tỷ lệ 100%PM tăng cao.

Dựa vào hình 3.9, 3.13 cho thấy:

Tỷ lệ 100%PM (D0-AT) có hiệu quả sinh khí tăng mạnh từ 355 LCH4/KgVSS ở tải trọng 0,5 gVSS/gVSI lên tới 437 LCH4/KgVSS ở tải trọng 0,6 gVSS/gVSI – tăng 82 LCH4/KgVSS. Kết quả thu được có giá trị tương đương với nghiên cứu của Aura Rodríguez et al. (2017) là 437,33 mLCH4/gVSS [52]. Bên cạnh, kết quả nghiên cứu này cao hơn đối với một số nghiên cứu của các tác giả khác: Jianzheng Li et al. (2014) [33], S.Xie et al. (2012) [48], Giovanni Esposito et al. (2012) [3], Yue-gan Liang et al. (2017) [33], Pornpan Panichnumsin et al. (2006) [41], P.Panichnumsin et al. (2012) [36]...

Các tỷ lệ phối trộn còn lại: 2/3PM + 1/3WH (D1-AT), 1/2PM + 1/2WH (D2-AT), 1/3PM + 2/3WH (D3-AT) và 100% có hiệu quả sinh khí khi khơng tính đến bùn mồi đều giảm.

Tỷ lệ phối trộn 2/3PM + 1/3WH (D1-AT) có hiệu quả sinh khí trên 1 kgVS cơ chất giảm từ 403 LCH4/KgVSS xuống còn 394 LCH4/KgVSS – giảm 9 LCH4/KgVSS. Hai tỷ lệ 1/2PM + 1/2WH (D2-AT), 1/3PM + 2/3WH (D3-AT) có tốc độ giảm như nhau – giảm 9 LCH4/KgVSS. Nhìn chung, kết quả đạt được tương đương với nghiên cứu của D.P Chynoweth et al. (1982) [42] với hiệu quả sinh khí của bùn sơ cấp trong xử lý nước thải với bèo tây có giá trị 0,19 -0,52 LCH4/KgVSS. Trong khi đó kết quả nghiên cứu của Sugumaran Pachaiyappan et al. (2014) [23] khi kết hợp bèo tây với phân bò lại cho kết quả thấp hơn.

Riêng đối với tỷ lệ 100%WH có hiệu quả sinh khí giảm mạnh ở tải trọng 0,6 gVSS/gVSI - giảm 54 LCH4/KgVSS so với tải trọng 0,5 gVSS/gVSI, giảm từ 218

61

LCH4/KgVSS xuống còn 164 LCH4/KgVSS. Khi tăng tải trọng lên, thì khả năng phân hủy chất hữu cơ trong hỗn hợp giảm, đặc biệt với nguồn cơ chất là bèo tây có nhiều thành phần khó xử lý và cấu trúc phức tạp như: Lignin, cellulose, mạng lưới hemicellulose... [16], [50], [43] thì q trình chuyển hóa sẽ khơng dễ dàng. Kết quả nghiên cứu này thấp hơn nhiều so với hiệu quả sinh khí mà S. Vaidyanathan et al (1985) [53] và A.K. Kivaisi et al. (1998) [43] thực hiện có giá trị là 0,44 LCH4/gVSS.

D0-AT D1-AT D2-AT D3-AT D4-AT

m L C H4 /K g V S 0 2x104 4x104 6x104 8x104 105 1x105 1x105 2x105 2x105 LCH 4 /K g V Ss 0 100 200 300 400 500 163751 103757 94282 89937 61584 437 394 372 342 164

Hình 3.13 Biểu đồ tổng lượng khí CH4 sinh ra

Xét lượng khí sinh ra trên đơn vị VS hỗn hợp và đơn vị khối lượng hỗn hợp thì đây tải trọng sinh khí hiệu quả nhất: Hầu hết các tải trọng đều có lượng khí tăng lên và đạt đỉnh, sau đó đều giảm ở tải trọng 0,8 gVSS/gVSI. Dựa vào bảng 3.5 cho thấy: Hầu hết các tỷ lệ phối trộn thì hiệu suất tính trên VS cơ chất thì giảm nhẹ nhưng xét trên VS hỗn hợp lại tăng mạnh. Vì vậy, tùy thuộc vào mục đích cần lượng khí tối ưu trên cơ chất hay lượng khí tối ưu tính trên hỗn hợp mà lựa chọn tải trọng thích hợp.

62

Bảng 3.5 Hệ số tăng – giảm hiệu suất khí của tải trọng 0,8 gVSS/gVSI so với tải trọng 0,6 gVSS/gVSI STT Nghiệm thức Tính trên VS cơ chất Tính trên VS hỗn hợp Tính trên khối lượng hỗn hợp 1 100%PM (D0-AT) +1,23 +1,38 +1,38 2 2/3PM + 1/3WH (D1-AT) -1,02 +1,12 +1,09 3 1/2PM + 1/2WH (D1-AT) -1,03 +1,11 +1,07 4 1/3PM + 2/3WH (D1-AT) -1,04 +1,11 +1,05 5 100%PM (D0-AT) -1,33 -1,18 -1,26

Ghi chú: + : tăng; - giảm

❖ Diễn biến q trình sinh khí

Khi tăng tải trọng thì lượng cơ chất cần chuyển hóa tăng nhưng hàm lượng vi sinh vật giảm. Do đó, thời gian xử lý sẽ chậm và kéo dài hơn. Thời gian sinh khí nhiều ở tải trọng 0,6 gVSS/gVSI kéo dài, xuất hiện nhiều đỉnh khí,...

− Tỷ lệ 100%PM (D0-AT): Những ngày đầu lượng khí sinh ra khơng nhiều, sau đó tăng dần. Khoảng thời gian cho lượng khí nhiều xảy ra chậm từ ngày thứ 12 đến ngày thứ 15. So với những tải trọng thấp thì thời gian này xảy ra chậm. Kết quả nghiên cứu này có khoảng thời gian sinh khí hiệu quả xảy ra chậm so với thí nghiệm của Giovanni Esposito et al. (2012) [3] và nghiên cứu của Jianzheng Li et al. (2014) [33]. Đây cũng là tỷ lệ phối trộn có thời gian sinh khí kéo dài nhất ở tải trọng 0,6 gVSS/gVSI. Đến ngày thứ 19 lượng khí sinh ra cịn lớn trên 10 LCH4/KgVSS.

− Tỷ lệ 2/3PM + 1/3WH (D1-AT): Lượng khí tăng ổn định và đạt đỉnh ở ngày thứ 9 là 39 LCH4/KgVSS. Sau đó lượng khí giảm dần ở những ngày tiếp theo, kéo dài tới ngày thứ 13. So với nghiên cứu của Patil J.H et al. (2013) [38] và Fadairo A.A. et al. (2014) [51] có nguồn cơ chất của bèo tây kết hợp với phân bị thì khoảng thời

63

gian sinh khí hiệu quả trong báo cáo này diễn ra sớm hơn. Thời gian mà lượng khí sinh ra nhiều theo nghiên cứu [38] từ ngày thứ 15 đến ngày thứ 35 và nghiên cứu [51] từ ngày 18 đến ngày 22.

− Tỷ lệ 1/2PM + 1/2WH (D2-AT): Đường biến thiên khí diễn ra tượng tự tỷ lệ 2/3PM + 1/3WH. Lượng khí tăng dần ở những ngày đầu và đạt đỉnh ở ngày thứ 8 là 35 LCH4/KgVSS. Sau đó, lượng khí giảm dần và dường như kết thúc ở ngày thứ 16 – lượng khí nhỏ hơn 2 LCH4/KgVSS.ngày.

− Tỷ lệ 1/3PM + 2/3WH (D3-AT) có diễn biến phức tạp hơn, xuất hiện hai đỉnh khí vào ngày thứ 2 và ngày thứ 8 có giá trị lần lượt là 30 và 31 LCH4/KgVSS.ngày. Nguyên nhân: Phân heo là hợp chất dễ phân hủy nên những ngày đầu đã được chuyển hóa tốt, tiếp theo những ngày tiếp theo bèo tây bắt đầu phân hủy kết hợp với phần phân heo cịn lại nên lượng khí lại tăng lên.

− Tỷ lệ 100%WH (D4-AT): Đây là tỷ lệ phối trộn mà đỉnh khí xuất hiện sớm nhất ở tải trọng này; ngày thứ 4 lượng khí sinh ra nhiều nhất là 23 LCH4/KgVSS. Giai đoạn từ ngày 5 đến ngày 13, lượng khí sinh ra ổn định. Nhưng nhìn chung, lượng khí trung bình hàng ngày ở tỷ lệ này thấp hơn nhiều so với những tải trọng còn lại. Kết quả nghiên cứu của Giovanni Esposito et al. (2012) [3] và Jianzheng Li et al. (2014) [33] có thời gian phân hủy kỵ khí diễn ra chậm hơn.

Thời gian (Ngày)

0 5 10 15 20 25 30 35 LCH 4 /K g V Ss 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 o C 20 25 30 35 40 D0-AT D1-AT D2-AT D3-AT D4-AT Nhiệt độ Trung bình nhiệt độ

64

3.2.4.2 Kết quả giá trị hàm lượng chất hữu cơ bay hơi (VS)

Ở tải trọng 0,6 gVSS/gVSI, giá trị %VS và hệ số phân hủy nội bào diễn ra tương đồng tải trọng 0,5 gVSS/gVSI:

− Tỷ lệ 100% PM (D0-AT): %VS giảm mạnh từ 10,7% xuống còn 7,0% - giảm 3,7% và hệ số phân hủy nội bào + 0,3% - là tỷ lệ phối trộn duy nhất có hệ số phân hủy nội bào dương ở tải trọng 0,6 gVSS/gVSI. Điều này cho thấy, đây là cũng tỷ lệ phối trộn có hiệu suất sinh khí cao và q trình sinh khí vẫn cịn xảy ra sau 40 ngày phản ứng. Ở tỷ lệ này, 34,6 % VS được loại bỏ khỏi hỗn hợp - tăng so với tải trọng 0,5 gVSS/gVSI. Kết quả nghiên cứu này cho thấy: Khả năng loại bỏ VS tốt hơn nghiên cứu của Bùi Diệu Linh (2011). Bùi Diệu Linh thí nghiệm với nguồn cơ chất là phân heo và bùn mồi là bùn từ hầm ủ biogas phân heo thì kết quả loại bỏ được 28,25%VS [27]. Hàm lượng chất hữu cơ ở nghiên cứu của P.Panichnamsin et al. (2012) được loại bỏ lại được kết quả tốt hơn là 46±3% [36]. Tương tự, hiệu quả loại bỏ VS của S.Xie et al. (2011) cũng có hiệu quả rất cao là 60,5% [48].

− Tương tự như tỷ lệ 100% PM (D0-AT), hiệu quả loại bỏ VS ở tất cả các tỷ lệ phối trộn còn lại đều tăng:

− Tỷ lệ 2/3PM + 1/3WH (D1-AT): Hiệu quả loại bỏ VS là 38,3% tăng 7,5% so với tải trọng 0,5 gVSS/gVSI. Khả năng loại bỏ VS tốt hơn nghiên cứu của Bùi Diệu Linh (2011). Tác giả Bùi Diệu Linh cũng nghiên cứu trên vật liệu bèo tây, nhưng kết quả loại bỏ VS đạt được là 27,06% [27]. Ở nghiên cứu của Anil Kuruvilla Mathew et al. (2014) [45] cũng chỉ giảm được 27%VS.

− Tỷ lệ 1/2PM + 1/2WH (D2-AT): Hiệu quả loại bỏ VS là 28,8% tăng 3,2% so với tải trọng 0,5 gVSS/gVSI.

− Tỷ lệ 1/3PM + 2/3WH (D3-AT): Hiệu quả loại bỏ VS là 45,2% tăng 8,3% so với tải trọng 0,5 gVSS/gVSI. Đây là tỷ lệ phối trộn có hiệu quả loại bỏ hàm lượng hữu cơ bay hơi tốt nhất.

65

− Tỷ lệ 100%WH (D4-AT): Hiệu quả loại bỏ VS là 47,5% tăng 6,9% so với tải trọng 0,5 gVSS/gVSI. Hàm lượng chất hữu cơ bay hơi ở tỷ lệ phối trộn này giảm đáng kể.

− Tất cả các tỷ lệ 2/3PM + 1/3WH (D1-AT), 1/2PM + 1/2WH (D2-AT), 1/3PM + 2/3WH (D3-AT), 100%WH (D4-AT) đều có hệ số phân hủy nội bào âm nên ở các tỷ lệ phối trộn này q trình sinh khí diễn ra tối đa và đã bắt đầu suy thoái.

Đây cũng là tải trọng sinh khí hiệu quả nhất trong các tải trọng nghiên cứu.

10,7

D0-AT D1-AT D2-AT D3-AT D4-AT

% -20 -10 0 10 20 30 40 50 Đầu vào

Đầu ra Hiệu suất Hệ số phân hủy nội bào

7,0 34,6 0,3 8,0 4,9 38,3 -1,2 -0,5 -1,4 -0,4 7,2 5,1 28,8 6,4 3,5 45,2 4,4 2,3 47,5

Hình 3.15 Biểu đồ giá trị %VS đầu vào – đầu ra của các tỷ lệ phối trộn

3.2.4.3 Kết quả tổng vi sinh vật kỵ khí

So sánh với những tải trọng trước cho thấy: Tổng vi sinh vật kỵ ở các tỷ lệ phối trộn có mật độ cao và cao hơn. Điều này cho thấy: Thí nghiệm đã tạo mơi trường kín tốt; cơ chất thích hợp cho vi sinh vật phát triển.

Mật độ vi sinh vật kỵ khí ở các tỷ lệ có sự khác nhau nhưng chênh lệch khơng quá lớn; dao động từ 250 - 850.106CFU/mL.

Tỷ lệ 100%PM (D0-AT) có mật độ vi sinh cao nhất với giá trị là 822.106 CFU/mL – Đây cũng là tỷ lệ có mật độ vi sinh vật kỵ khí cao nhất trong nghiên cứu này. Tỷ lệ 2/3PM + 1/3WH (D1-AT) cũng có giá trị tương đương là 721.106 CFU/mL.

66

Các tỷ lệ còn lại: 1/2PM + 1/2WH (D2-AT), 1/3PM + 2/3WH (D3-AT), 100%WH (D4-AT) có giá trị thấp hơn nhưng tương đối cao là 514.106 CFU/mL, 320.106 CFU/mL, 252.106 CFU/mL.

Nhìn chung, kết quả mật độ vi sinh vật kỵ khí có sự tương đồng với hiệu quả sinh khí methane. Tải trọng 0,6 gVSS/gVSI là tải trọng có hiệu suất sinh khí tốt và nồng độ vi sinh vật cao so với những tải trọng cịn lại.

822

D0-AT D1-AT D2-AT D3-AT D4-AT

10 6 CF U /m L 0 200 400 600 800 1000 514 721 320 252

Hình 3.16 Biểu đồ tổng vi sinh vật kỵ khí ở các tỷ lệ phối trộn

3.2.4.4 Kết quả giá trị pH

Dựa vào bảng 3.6 cho thấy:

Giá trị pH đầu vào được điều chỉnh về giá trị trung tính có khoảng dao động từ 6,9- 7,1. Giá trị pH nằm trong khoảng 6,5-8,5. Giá trị pH trong nghiên cứu là phù hợp cho q trình phân hủy kỵ khí.

Giá trị pH trung bình 3 mẫu đầu ra ở các nghiệm thức nằm trong khoảng 7,0-7,5. Điều này cho thấy, hỗn hợp phản ứng đã chuyển sang giai đoạn methane hóa.

67

Bảng 3.6 Bảng giá trị pH đầu vào và đầu ra ở các tỷ lệ phối trộn

STT Tỷ lệ phối trộn Gía trị đầu vào Gía trị đầu ra

1 100%WH (D0-AT) 7,0 7,5 2 2/3PM + 1/3WH (D1-AT) 7,1 7,0 3 1/2PM + 1/2WH (D2-AT) 6,9 7,2 4 1/3PM + 2/3WH (D3-AT) 7,0 7,0 5 100%WH (D4-AT) 7,1 7,0 3.2.5 Tải trọng 0,8 gVSS/gVSI

3.2.5.1 Kết quả lượng khí CH4 sinh ra ở các tỷ lệ phối trộn

Ở tải trọng 0,8 gVSS/gVSI, hiệu quả sinh khí methane tính 1 đơn vị VS cơ chất, VS hỗn hợp và khối lượng hỗn hợp phản ứng ở tất cả các tỷ lệ phối trộn giảm so với tải trọng 0,6 gVSS/gVSI.

Dựa vào hình 3.13, 3.17 cho thấy:

Tỷ lệ 100%PM (E0-AT) có hiệu quả sinh khí giảm từ 437 LCH4/KgVSS ở tải trọng 0,6 gVSS/gVSI xuống còn 366 LCH4/KgVSS ở tải trọng 0,8 gVSS/gVSI; lượng khí tính trên VS hỗn hợp cũng giảm từ 163751 mLCH4/KgVS xuống còn 162866 mLCH4/KgVS. Vì vậy, giá trị này thấp hơn so với nghiên cứu của Aura Rodríguez et al. (2017) [52], Pornpan Panichnumsin et al. (2006) [41] có giá trị lần lượt là 437,33 mLCH4/gVSS và 392,94 LCH4/KgVSS.

Tỷ lệ 2/3PM + 1/3WH (E1-AT) có hiệu quả sinh khí giảm từ 394 LCH4/KgVSS ở tải trọng 0,6 gVSS/gVSI xuống còn 341 LCH4/KgVSS ở tải trọng 0,8 gVSS/gVSI; lượng khí tính trên VS hỗn hợp cũng giảm từ 103757 mLCH4/KgVS xuống còn 99138 mLCH4/KgVS.

Tỷ lệ 1/2PM + 1/2WH (E2-AT) có hiệu quả sinh khí giảm từ 372 LCH4/KgVSS ở tải trọng 0,6 gVSS/gVSI xuống còn 304 LCH4/KgVSS ở tải trọng 0,8 gVSS/gVSI; lượng khí tính trên VS hỗn hợp cũng giảm từ 94282 mLCH4/KgVS xuống còn 86763 mLCH4/KgVS.

68

Tỷ lệ 2/3PM + 1/3WH (E3-AT) có hiệu quả sinh khí giảm từ 342 LCH4/KgVSS ở tải trọng 0,6 gVSS/gVSI xuống còn 209 LCH4/KgVSS ở tải trọng 0,8 gVSS/gVSI; lượng khí tính trên VS hỗn hợp cũng giảm từ 89937 mLCH4/KgVS xuống cịn 63581 mLCH4/KgVS.

Tỷ lệ 100%WH (E4-AT) có hiệu quả sinh khí giảm từ 164 LCH4/KgVSS ở tải trọng 0,6 gVSS/gVSI xuống còn 104 LCH4/KgVSS ở tải trọng 0,8 gVSS/gVSI; lượng khí tính trên VS hỗn hợp cũng giảm từ 61584 mLCH4/KgVS xuống còn 56574 mLCH4/KgVS. Kết quả nghiên cứu này thấp hơn nhiều so với hiệu quả sinh khí mà S. Vaidyanathan et al. (1985) [53] và A.K. Kivaisi et al. (1998) [43] thực hiện có giá trị là 0,44 LCH4/gVSS.

Như vậy, khi tải trọng càng tăng thì lượng khí sinh ra càng lớn nhưng đến một đến một giai đoạn nào đó thì hiệu quả sinh khí sẽ khơng tăng lên và có xu hướng giảm. Nguyên nhân: Khi tăng nguồn cơ chất q lớn thì vi sinh vật khơng có khả năng chuyển hóa tốt, hồn tồn chất hữu cơ và xảy ra trường hợp quá tải. Dựa vào kết quả thí nghiệm cho thấy, tải trọng 0,6 gVSS/gVSI thu được lượng khí lớn nhất tính trên hàm lượng chất hữu cơ bay hơi và khối lượng hỗn hợp; bắt đầu từ tải trọng 0,8 gVSS/gVSI hiệu quả sinh khí bắt đầu giảm.

E0-AT E1-AT E2-AT E3-AT DE-AT

m L C H4 /K g V S 0 2x104 4x104 6x104 8x104 105 1x105 1x105 2x105 2x105 LCH 4 /K g V Ss 0 50 100 150 200 250 300 350 400 162866 99138 86763 63581 56574 366 341 304 209 104

69 ❖ Diễn biến q trình sinh khí

Đây là tải trọng có khoảng thời gian sinh khí ở các tỷ lệ phối trộn kéo dài nhất trong nghiên cứu này. Khi tăng tải trọng q lớn thì vi sinh vật khơng có khả năng xử lý các hợp chất hữu cơ và chuyển hóa chúng thành khí methane. Vì vậy, nguồn cơ chất trong hỗn hợp sẽ được xử lý từng mẻ nhỏ và thời gian sinh khí sẽ lâu hơn.

Diễn biễn q trình sinh khí methane ở tải trọng 0,8 gVSS/gVSI khơng có hình dạng là một chóp núi như các tải trọng nhỏ hơn mà biến thiên theo dạng hình đồi có độ dốc thấp.

− Tỷ lệ 100%PM (E0-AT): Khí sinh ra kéo dài từ ngày thứ 1 đến ngày thứ 22 nhưng khơng nhiều – trung bình 13,7 LCH4/KgVSS.ngày. Ngày thứ 16 mới thu được được khí lớn nhất trong ngày là 24 LCH4/KgVSS – đỉnh thấp nhất ở tất cả các